CN1078726C - 电喇叭稳频发声的控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

由单片机实现并构成的控制电喇叭稳频发声的方法及装置。特征是：稳频振荡器输出的频率脉冲用单片机按每只喇叭的固有谐振频率进行校正(精度可达±0.05Hz)，这样喇叭在电子驱动信号驱动下可在最佳的状态工作，驱动信号的占空比可根据不同喇叭的发音特点在1～99%范围内任意调节。解决了有触点喇叭及现有各种电子喇叭受机车电压或环境温度影响而导致的喇叭变音和声级下降缺点。也可作为频率及脉宽可调的信号源使用。

Description

电喇叭稳频发声的控制方法及装置

本发明涉及机动车辆电喇叭，特别是一种控制电喇叭稳频发声的方法及装置，本发明还涉及稳频、占空比连续可调的信号源产生方法。

目前，机动车辆的电喇叭基本是由电磁铁驱动一振膜，由振膜推动空气发声的，而这一种喇叭中电磁铁的吸合由一触点控制，在喇叭工作时，由于触点在很高的频率下(一般为300-600HZ)工作，大电流通断产生很大的火花，触点因电火花的侵蚀而导致喇叭不仅寿命很短，同时也在不断偏离出厂时调整的频率和声级而产生变音及声音变小、杂音增加的弊病，而且在生产过程中要想使喇叭的发声频率和喇叭的固有机械谐振点一致使之达到最大的发声效率及最省电的状态也十分不容易。所以近年来随着电子技术的发展，相继有人发明了各种电子装置来取消触点，而由电子电路产生脉冲电流驱动振膜电磁铁，由于需按每只喇叭的固有机械谐振点进行调整，所以全部采用了以电阻电容为频率调整的电路，如各类多谐振荡器，时基电路，脉冲宽度调制控制电路等组成，此类电路由于受半导体器件和电阻电容元件的温度，及电压特性的影响，其输出频率受环境温度，机动车辆电压影响不能保持和喇叭的固有机械谐振点一致的频率上，因此上述电子喇叭虽然比有触点喇叭寿命长，但却仍然存在着受环境温度，机动车辆电压影响导致电路驱动频率改变使喇叭变音和输出声级大幅度下降的弱点而至今不能推广应用。

石英晶体振荡器或某些半导体芯片内高稳定振荡器的频率稳定度很高，一般可达到数十PPM，而用一般的分频方法只能产生2-1/N的频率，而电喇叭固有机械谐振频率一般在300-600HZ之间一频点上，所以不能用一般的分频方法，而用数字VCO压控振荡器分频虽可解决分频问题，但不能解决脉宽任意调节的问题，并因其相对喇叭高昂的价格和调整方法不宜在喇叭中使用。

本发明的目的是：针对现有技术存在的问题，设计并提供一种采用稳频振荡器，比如石英晶体振荡器，产生稳定基准信号，然后由单片机控制，按照每只电喇叭的固有声学参数进行频率校正，使电喇叭在电子驱动信号的驱动下达到较佳发声效果从而克服现有技术电喇叭所存在的变音(频率改变)以及输出声级不稳的方法及装置。

根据本发明的第一方面，提供一种控制电喇叭稳频发声的方法，所述方法包括下列步骤：产生频率稳定的基频信号；将基频信号生成步骤产生的基频信号预分频为与电喇叭工作频率范围内某一频率相接近的一个选定值；根据选定的喇叭频率参数对预分频步骤产生的脉冲信号进行频率修正，使输出脉冲信号频率与所述某一频率相一致；根据选定的占空比参数对经过频率修正后的脉冲信号进行占空比调节，以使喇叭达到较佳的发声特性；对占空比修正单元输出的信号进行输出缓冲、功率放大；然后经缓冲放大后的频率信号送往电喇叭，驱动电喇叭工作。

在上述的本发明第一方面方法的频率修正步骤中所述的某一频率是电喇叭振膜的机械谐振频率。

根据本发明的第二方面，提供了一种微处理器控制电喇叭稳频发声的方法，所述方法包括下列步骤：产生频率稳定的基频信号；根据选定的喇叭频率参数和选定的占空比参数，微处理器对基频信号生成步骤产生的基频信号同时进行频率和占空比的调节，使随后产生的脉冲信号具有选定频率和占空比，其中所述选定频率与电喇叭工作频率范围内机械谐振频率相接近，而选定的占空比足以使喇叭达到较佳的发声特性；对频率及占空比调节步骤输出的信号进行输出缓冲、功率放大；然后经缓冲和放大后的频率信号送往电喇叭，驱动电喇叭工作。

根据本发明的第三方面，提供了一种控制电喇叭稳频发声的装置，所述装置包括：基频信号生成单元，用于产生频率稳定的基频信号；预分频单元，用于将基频信号生成单元产生的基频信号预分频为与电喇叭工作频率范围内某一频率相接近的一个选定值；频率修正单元，用于根据选定的喇叭频率参数对预分频单元产生的脉冲信号进行频率修正，使输出脉冲信号频率与电喇叭振膜工作频率范围内的某一频率相一致；占空比修正单元，用于根据选定的占空比参数对经过频率修正后的脉冲信号进行占空比调节，以使喇叭达到较佳的发声特性；缓冲放大单元，用于对占空比修正单元输出的信号进行输出缓冲、功率放大，以便将经缓冲放大后的频率信号送往电喇叭，驱动电喇叭工作。

在本发明的第三方面所述的装置中所述预分频单元、频率修正单元、占空比修正单元可由单片机实现，也可由具有CPU、I/O、RAM、ROM(EPROM、EEPROM、FLASH或其它类似存储功能)或其它类似功能的微处理器电路或芯片构成。另外，在不影响单片机电路正常工作的情况下，通过改变装置电源电压，来控制电喇叭的输出声级，做为变声级喇叭使用。

根据本发明的第四方面，提供了利用单片机产生稳频、占空比可调的信号源的方法，所述方法包括下列步骤：产生频率稳定的基频信号；将基频信号生成单元产生的基频信号预分频，使预分频后的脉冲信号频率落入预设的工作频率范围内；根据选定的工作频率对预分频步骤产生的脉冲信号进行频率修正，使输出脉冲信号频率与所需工作频率相一致；根据选定的占空比对经过频率修正后的脉冲信号进行占空比调节。

在本发明的第四方面所述的信号源产生方法中所述占空比调节范围可以为1％-99％。

本发明和现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明采用稳频(如石英晶体)振荡器产生稳定基准信号，单片机按特定程序对其控制产生出符合喇叭全频段发音特点的并用软件程序产生特定脉宽的特定频率，然后按存储器中每只喇叭的数据进行校正，经放大后推动驱动喇叭振膜电磁铁发声，解决了一般方法不能对稳频振荡器(如石英晶体振荡器)的频率进行任意分频，及用数字VC0压控振荡器虽可解决分频问题但不能解决脉宽任意调节的问题，以及其本身相对喇叭的高昂价格和调整方法不宜在喇叭中应用等问题。

2.本发明的喇叭使用寿命长，克服了原触点式的喇叭使用中不断偏离出厂时调整的频率和声级而产生的变音及声音变小的不足，可达到最大的发声效率及省电状态。同时，也克服了采用电子装置取消触点的各种电喇叭受环境温度、机动车辆电压影响致使输出频率改变而出现变音和输出声级大幅度下降的弱点。

3.本发明可实现一机多用，除作为已给出的稳定可调频率驱动的机车电喇叭外，即使在机车供给电压变化很大的情况下保持稳定的频率输出，在电压变化时只是输出声级有变化，如标称电压为12V的单片机控制发声稳频电喇叭可在6.5～16V范围内稳定工作，解决了现有技术各类由电磁铁驱动的振膜发声喇叭所解决不了的问题，由于其输出频率与电压无关，因此可通过改变输入电压的方法作为变声级喇叭使用，在城市中用低声级呜叫以减少环境污染，在环境嘈杂地区用高声级呜叫确保行车安全。另外，也可作为频率及脉宽可调的信号源使用。

在结合附图参考了下文对本发明所作的详细说明之后，本发明的各种优点将一目了然。附图中相同或相似的部件标以相同的标号。

图1是本发明的控制电喇叭稳频发声方法的流程图；

图2是本发明的另一微处理器控制电喇叭稳频发声方法的流程图；

图3是本发明的控制电喇叭稳频发声的装置的原理图；

图4是本发明控制电喇叭稳频发声的较佳实施例的电路图。

首先参看图1，图中所示是本发明的控制电喇叭稳频发声方法的流程图，该方法通过单片机等电子元件实现。首先是进行一系列的准备步骤：上电初始化，稳频(石英振荡器或单片机自带振荡器)振荡器启动，同时对单片机内各寄存器复位清“0”，并对单片机的各端口按指定要求设定为输入或输出状态。然后在预分频步骤，对稳频振荡器产生的高频信号用单片机的部分寄存器按程序指定的喇叭工作范围内的频率进行预分频到设定值，该设定值应当在喇叭的工作频率范围之内或与之相差不多。接着进入分频修正步骤，按照喇叭声学性能参数对经过预分频处理后的脉冲进行精确分频修正，使输出脉冲频率和每只喇叭机械谐振频率相符，通常精度可达到±0.05HZ，当然除此以外分频修正后的输出脉冲频率也可以为电喇叭工作范围内的其它频率，只要它能满足使电喇叭较佳发声的目的即可。分频修正的具体做法是根据一个周期中不同频率之间高、低电平持续时间的不同，利用单片机用软件将频率脉冲的高、低电平的持续时间分别延长或缩短。然后进入脉冲占空比修正步骤，按照事先存储的每只喇叭的较佳脉冲占空比，对经过分频修正步骤后的脉冲串高低电平时间的比例进行修正，使喇叭达到较佳的发声特性。此处所讲的较佳发声特性是指某一型号喇叭经多次主观监听，以及进行喇叭发音频谱测定，经反复比较评审后确认的某一特定声学效果，它并不是确定值，可以略有变化。这里脉冲(驱动信号)的占空比可在1％～99％的范围内任意调节，根据不同喇叭的发音特性可以选择不同的占空比参数。接着，进入缓冲放大步骤，对单片机输出的脉冲信号加以缓冲，并且对经过缓冲的脉冲信号进行电流放大，用以推动喇叭电磁线圈。最后，经缓冲放大的脉冲信号驱动电喇叭而发声。

本发明用石英晶体振荡器或半导体芯片内部或外部高稳定振荡器产生稳定基准，靠单片机用指令(或软件)对其控制产生出符合喇叭全频段发音特点的用软件产生特定脉宽的基准频率并按存储器中每只喇叭的数据进行校正，然后经放大后推动驱动喇叭振膜电磁铁发声。也可将某种喇叭膜片的全部或部分频率特性固化在芯片内，通过频率调整设定装置选择适合某一喇叭膜片特性的较佳脉宽的输出频率。

图2是本发明的另一微处理器控制电喇叭稳频发声方法实施例的流程图；该实施例与图1所表示实施例的区别在于，它根据选定的喇叭频率参数和选定的占空比参数，利用微处理器对基频信号生成步骤产生的基频信号以同一步骤同时进行频率和占空比调节，使该基频信号直接变换为具有选定频率和占空比的脉冲信号，也就是说，以一个步骤代替了图1所示的预分频步骤、分频修正步骤以及脉冲占空比修正步骤。具体做法如下：由单片机或微处理器根据存储于存储器中的待控电喇叭的工作频率参数及其较佳工作时的占空比参数(这些参数也可以预置于指令或寄存器中)，计算出所需驱动信号的高、低电平持续时间，然后通过时延或计数等方法对先前产生的基准信号进行处理，将该基准信号变换为具有所需频率和占空比的驱动脉冲信号，以便驱动电喇叭。

图3是本发明的控制电喇叭稳频发声的装置的原理图。控制装置上电后，基频信号生成单元1产生频率稳定的基频信号，然后将生成的频率信号输出至预分频单元2，预分频单元2用于将输入的基频信号预分频为与电喇叭标准工作频率范围内某一频率相接近的选定值，并将结果信号送往频率修正单元3，该频率修正单元3从喇叭数据存储器9中读出选定的喇叭频率参数，并根据该频率参数对预分频单元2产生的脉冲信号进行频率修正，使输出脉冲信号频率与电喇叭工作频率范围内的某一频率相一致；占空比修正单元4接收频率修正后的脉冲信号，并且从脉冲占空比修正存储器10中读出选定占空比参数，然后根据选定的占空比参数对经过频率修正后的脉冲信号进行占空比调节，以使喇叭达到较佳的发声特性；缓冲放大单元5接收占空比修正单元4输出的脉冲信号，然后对该脉冲频率信号进行输出缓冲放大，经缓冲放大后的频率信号经功率放大单元6作功率放大并且经输出保护电路7送往电喇叭单元8，驱动电喇叭工作。喇叭数据存储器9和脉冲占空比修正存储器10的功能可以由同一个存储器单元实现，也可以由不同的存储器完成。

图4是本发明控制电喇叭稳频发声的较佳实施例的电路图。在该较佳实施例装置中，电阻R₁(或称限流电阻)、R₂(或称分压泄放电阻)、电容C₁(或称退耦滤波电容)、稳压二极管DW₁构成电源稳压滤波电路13。电阻R₃、电容C₂构成上电复位电路14。二极管D₁构成防极性接反电路12。二极管D₂、电容C₅构成喇叭单元8的过压保护电路7，C₅用于吸收喇叭电磁铁在脉冲激励下产生的正向过电压，用于保护功率输出级的场效应晶体管或达林顿晶体管。功率放大单元6的功率放大驱动电路可采用场效应管T₁(或达林顿晶体管)。

在图4中，电源供给单元11由防极性接反电路12、电源稳压滤波电路13和上电复位电路14构成，其中电源稳压滤波电路13的输出端接单片机15的电源输入端，单片机的信号输出端经功率放大单元6的功率放大驱动电路T₁以及输出保护单元7后接喇叭单元8，单片机的数据端接喇叭数据存储装置16。喇叭数据存储装置16由喇叭数据存储器单元9(见图3)和脉冲占空比修正存储器单元10(见图3)构成，主要用于存储每只喇叭的在调整时获得的频率特性参数，可由单片机内部或外部的ROM，EPROM，EEPROM，FLASH或其它能进行数据存储的装置组成，如熔丝矩阵、开关矩阵、插针矩阵等组成。本发明的较佳实施例的电路图叙述如下：当电源按本电路极性要求接通电路时，电源经防极性接反电路12的二极管D₁，和由R₁，R₂，DW₁、C₁组成的稳压滤波电路13，用来对输入电压降压成为适合单片机系统工作的电源，C₁用来消除喇叭工作时电源的脉动成分。R₃、C₂组成上电复位电路14为单片机提供一上电延时，使单片机对各寄存器清“0”。石英晶体振荡器用单片机本身的振荡电路外加石英晶体TX₁和电容C₃、C₄组成，上电复位振荡稳定后按程序对石英振荡器的高频振荡信号进行预分频，并按喇叭数据存储器9(图3)中储存的每只喇叭的不同频率特性进行精确的分频校正，并按喇叭对占空比修正存储器中存储的驱动脉冲占空比系数的要求进行校正，经输出缓冲推动单元5后推动功率晶体管6(即功率放大单元)进行放大(功率晶体管可用场效应晶体管T₁或达林顿晶体管)后驱动喇叭单元8的电磁铁带动振膜发声，为防止喇叭电磁铁在大电流脉冲作用下产生的正反向过电压击穿大功率晶体管T₁，用二极管D₂对反向过电压进行泄放，用C₅对正向过电压进行吸收。

过压保护单元7对喇叭电磁线圈在大电流脉冲作用下产生的正反向过电压进行吸收以保护功率晶体管不损坏。

在具体实施本发明时，也可以将某种喇叭的部分或全部频谱特征预先固化在微处理器或单片机内部或外部存储器中，当所述装置工作时通过ROM、EPROM、EEPROM、FLASH，或开关阵列、熔丝阵列、插针阵列或其它具有“0”、“1”功能的器件来选择所述内部或外部存储器中适合工作喇叭发音特性的较佳占空比和频率参数。

尽管上述描述是针对用单片机电路产生稳频、占空比可调信号来控制电喇叭发声的情况，但是在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以构设本发明许多不同的变型。比如，单片机可以选用Z8，51，PIC系列的单片机，也可以选用其它具有CPU、I/O、RAM、ROM(EPROM、EEPROM、FLASH或其它类似存储功能)或其它类似功能的芯片或组件。我们还可以将单片机电路所产生的稳频、占空比可调的脉冲信号用于其它需要稳频信号源的场合，由于单片机结构简单成本低、频率精度高、其脉冲信号占空比调节范围较宽(1％-99％)等等特点，有广泛的用途。应当理解，本发明不局限于说明书中描述的特定实施例，它仅由后附的权利要求书限定。

Claims (15)

1.一种控制电喇叭稳频发声的方法，所述方法包括下列步骤：

选择适当的喇叭频率参数和占空比参数，

产生频率稳定的基频信号；

将基频信号生成步骤产生的基频信号预分频为与电喇叭工作频率范围内某一频率相接近的一个选定值；

根据选定的喇叭频率参数对预分频步骤产生的脉冲信号进行频率修正，使输出脉冲信号频率与所述某一频率相一致；

根据选定的占空比参数对经过频率修正后的脉冲信号进行占空比调节，以使喇叭达到较佳的发声特性；

对占空比修正步骤输出的信号进行输出缓冲、功率放大；

然后经缓冲和放大后的频率信号送往电喇叭，驱动电喇叭工作。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于上述频率修正步骤中所述的某一频率是电喇叭的机械谐振频率。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述占空比参数是使电喇叭达到较佳发声特性的较佳脉冲占空比。

4.一种控制电喇叭稳频发声的方法，利用微处理器实现，所述方法包括下列步骤：

选择适当的喇叭频率参数和占空比参数，

产生频率稳定的基频信号；

根据选定的喇叭频率参数和选定的占空比参数，微处理器对基频信号生成步骤产生的基频信号进行同时改变频率和占空比的调节，使基频信号直接变换为具有选定频率和占空比的脉冲信号，其中所述选定频率与电喇叭工作频率范围内机械谐振频率相接近，而选定的占空比足以使喇叭达到较佳的发声特性；

对频率及占空比调节步骤输出的信号进行输出缓冲、功率放大；

然后经缓冲和放大后的频率信号送往电喇叭，驱动电喇叭工作。

5.一种控制电喇叭稳频发声的装置，所述装置包括：

基频信号生成单元，用于产生频率稳定的基频信号；

预分频单元，用于将基频信号生成单元产生的基频信号预分频为与电喇叭工作频率范围内某一频率相接近的一个选定值；

频率修正单元，用于根据选定的喇叭频率参数对预分频单元产生的脉中信号进行频率修正，使输出脉冲信号频率与所述某一频率相一致；

占空比修正单元，用于根据选定的占空比参数对经过频率修正后的脉冲信号进行占空比调节，以使喇叭达到较佳的发声特性；

缓冲放大单元，用于对占空比修正单元输出的信号进行输出缓冲、功率放大，以便将经缓冲放大后的频率信号送往电喇叭，驱动电喇叭工作。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于所述的某一频率是电喇叭的机械谐振频率，所述占空比参数是使电喇叭达到较佳发声特性的较佳脉冲占空比。

7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于所述预分频单元、频率修正单元、占空比修正单元由单片机实现。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于基频信号生成单元是由单片机内部或外部的高稳定振荡器形成。

9.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于所述装置还包括喇叭数据存储装置，该存储装置包括用于存储被用来确定所述某一频率的喇叭频率参数的频率数据存储器和用于存储选定占空比参数的脉冲占空比修正存储器。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于所述喇叭数据存储器可由单片机外接或内设的只读存储器、可擦可编程只读存储器、电可擦可编程只读存储器、闪速存储器，或开关阵列、熔丝阵列、插针阵列或其它具有“0”、“1”功能的器件组成。

11.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于所述预分频单元、频率修正单元、占空比修正单元由具有中央处理器、输入/输出端口、随机存储器、只读存储器，可擦可编程只读存储器、电可擦可编程只读存储器、闪速存储器或其它类似存储功能，或其它类似功能的微处理器电路或芯片构成。

12.根据权利要求7所述的装置，其特征在于在不影响所述装置的电路正常工作的情况下，通过改变所述装置的电源电压，来控制电喇叭的输出声级，做为变声级喇叭使用。

13.根据权利要求11所述的装置，其特征在于基频信号生成单元由石英晶体振荡器构成。

14.根据权利要求5所述的装置，其特征在于可以将某种喇叭的部分或全部频谱特征预先固化在微处理器或单片机内部或外部存储器中，所述装置工作时通过只读存储器、可擦可编程只读存储器、电可擦可编程只读存储器、闪速存储器，或开关阵列、熔丝阵列、插针阵列或其它具有“0”、“1”功能的器件来选择适合某一喇叭发音特性的较佳占空比和频率。

15.根据权利要求5所述的装置，其特征在于所述装置还采用过压保护单元，用于吸收喇叭电磁线圈在大电流脉冲作用下产生的正反向过电压，对电喇叭进行过压保护。

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